鋼箱-混凝土組合拱橋受載全過程分析

鋼箱-混凝土組合拱橋受載全過程分析

周遠(yuǎn)智朱金波鄧曉紅

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要了解鋼箱-混凝土組合拱橋受載全過程的力學(xué)行為，采用有限元程序ABAQUS建立重慶江津筍溪河大橋的全橋模型，分析了在承載能力極限狀態(tài)下全橋的力學(xué)行為。分析結(jié)果表明，在承載能力極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的破壞表現(xiàn)為塑性破壞，跨中正彎矩布載時的超載能力為12.2倍汽車荷載，拱腳負(fù)彎矩布載時的超載能力為16倍汽車荷載。

關(guān)鍵詞拱橋ABAQUS力學(xué)行為

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.024

收稿日期：2015-03-09

在我國西南地區(qū)，山高谷深，地形條件極其復(fù)雜，隨著高速公路的快速發(fā)展，在此類地區(qū)修建拱橋能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。然而常規(guī)拱橋施工周期長、結(jié)構(gòu)整體性能差、施工費用高等缺點限制了拱橋的應(yīng)用，鋼箱-混凝土組合拱橋[1-2]的出現(xiàn)成功克服了常規(guī)拱橋的缺點，其特有的結(jié)構(gòu)形式和施工方法開拓了拱橋的應(yīng)用前景。鋼箱-混凝土組合拱橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，為了全面理解其受載全過程的力學(xué)性能，了解其結(jié)構(gòu)破壞的過程和形態(tài)，把握結(jié)構(gòu)在給定荷載下的安全儲備或超載能力，有必要對其進行受載全過程分析研究。

1鋼箱-混凝土組合拱橋構(gòu)造

鋼箱-混凝土組合拱橋根據(jù)主拱各個位置的不同受力情況，合理組合鋼材和混凝土，充分發(fā)揮2種材料的優(yōu)勢，由此將主拱拱肋分為4個區(qū)段，分別為拱腳區(qū)段、次拱腳區(qū)段、過渡區(qū)段以及跨中區(qū)段。

2有限元模型

針對復(fù)雜的全橋結(jié)構(gòu)，采用試驗研究其受載全過程的力學(xué)行為受到試驗方法、試驗場地的限制以至于很難實現(xiàn)，因此本文利用ABAQUS有限元程序?qū)χ鞴斑M行受載全過程模擬分析。鋼箱、橫隔板等鋼材部件采用三維殼單元(S4R)模擬，混凝土采用實體單元(C3D8R)模擬。根據(jù)文獻[3]，混凝土與鋼箱之間的接觸全部采用了程序提供的“綁定約束(TIE)”模擬，在拱腳處采用了固定約束邊界條件。全橋有限元模型見圖1。

a)主拱幾何模型b)主拱有限元模型

圖1主拱有限元模型

3鋼箱-混凝土組合拱的極限承載能力研究

本文在跨中正彎矩布載時加載大小為恒載+13活載，拱腳負(fù)彎矩布載時的加載大小為恒載+19活載，其中恒載大小為9 061.6kN，跨中最不利布載時活載大小為695.2kN，拱腳最不利布載時活載大小為827.7kN。

3.1　跨中正彎矩布載

(1) 在P=0.77Pu時(其中Pu=18 099.2 kN)，主拱鋼箱在1/4截面應(yīng)力達到345 MPa，受壓屈服，此處沒有底板混凝土的約束。

(2) 當(dāng)荷載增加至P=0.87 Pu時，跨中截面鋼箱頂面應(yīng)力達到345 MPa，受壓屈服。另外，由于1/4截面處底板鋼箱較為薄弱，此時鋼箱的屈服點已經(jīng)由底板發(fā)展至腹板，其頂板混凝土應(yīng)變超過其極限拉應(yīng)變，部分被拉裂。

(3) 當(dāng)荷載增加至P=0.97 Pu時，1/4截面處屈服點繼續(xù)往腹板高度方向上升，頂板混凝土的拉應(yīng)變急劇增加，全部被拉裂，跨中鋼箱頂板受壓屈服、底板受拉屈服，跨中頂板混凝土被壓碎。此時，跨中截面位置處形成塑性鉸，主拱達到其極限承載能力。

其中0.77,0.87,0.97 Pu對應(yīng)的活載大小的倍數(shù)分別為7,9.6,12.2。

在各特征荷載作用下的主拱應(yīng)力云圖見圖2。

a)P=0.77 Pub)P=0.87 Puc)P=0.97 Pu

圖2跨中正彎矩布載主拱應(yīng)力云圖

跨中截面的荷載-位移曲線見圖3，荷載比例系數(shù)為1時表示加載到13倍活載。當(dāng)荷載達到7倍活載(荷載比例系數(shù)為0.54)之前，荷載位移曲線基本呈直線，主拱處于彈性階段，當(dāng)荷載達到7倍活載時，1/4截面鋼箱底板受壓屈服；當(dāng)荷載增加到9.6倍活載(荷載比例系數(shù)為0.74)時，跨中截面鋼箱頂板受壓屈服，頂板混凝土尚未被壓碎，此時1/4截面的鋼箱底板屈服點向腹板上移；當(dāng)荷載增加到12.2倍活載(荷載比例系數(shù)為0.94)時，跨中截面鋼箱頂板屈服點向腹板下移，鋼箱底板也受拉屈服，頂板混凝土達到其極限壓應(yīng)變，混凝土被壓碎，此時1/4截面位置附近鋼箱屈服面積更大，主拱達到其極限承載能力。

圖3　跨中截面荷載-位移曲線

3.2　拱腳負(fù)彎矩布載

(1) 當(dāng)P=0.59 Pu時(其中Pu=24 786.9

kN)，在加載側(cè)拱腳截面位置，主拱鋼箱上緣應(yīng)力達到345MPa，受拉屈服，此時非加載側(cè)拱腳1/4截面頂板混凝土部分拉裂。

(2) 當(dāng)荷載增加至P=0.71 Pu時，非加載側(cè)拱腳1/4截面鋼箱底面應(yīng)力達到345 MPa，受壓屈服，頂板混凝土開裂加劇。

(3) 當(dāng)荷載增加至P=0.87 Pu時，加載側(cè)拱腳鋼箱底板受壓屈服，該側(cè)1/4截面鋼箱頂面受壓屈服、底面受拉屈服，在該側(cè)次拱腳區(qū)段結(jié)束位置附近鋼箱頂面受壓屈服；另一側(cè)拱腳處鋼箱底面受拉屈服，在該側(cè)滿填區(qū)段結(jié)束位置處鋼箱頂面受壓屈服。在非加載側(cè)1/4截面的鋼箱屈服面積進一步增大，該側(cè) 1/4截面頂板混凝土全部開裂。

(4) 當(dāng)荷載增加至P=0.9 Pu時，加載側(cè)拱腳1/4截面以及非加載側(cè)拱腳1/4截面的鋼箱屈服面積進一步增大，加載側(cè)1/4截面頂板混凝土達到極限壓應(yīng)變而被壓碎，且此時的主拱由于鋼箱的屈服形成了塑性鉸，達到了其極限承載能力。

其中0.59，0.71，0.87，0.9 Pu對應(yīng)的活載大小的倍數(shù)分別為6.7，10.3，15.1，16。

在各特征荷載作用下的主拱應(yīng)力云圖見圖4。

a)P=0.59 Pub)P=0.71 Puc)P=0.87 Pud)P=0.9 Pu

圖4拱腳負(fù)彎矩布載主拱應(yīng)力云圖

跨中截面的荷載-位移曲線見圖5，荷載比例系數(shù)為1時表示加載到19倍活載，當(dāng)荷載達到6.7倍活載(荷載比例系數(shù)為0.353)之前，荷載位移曲線基本呈直線，主拱處于彈性階段，當(dāng)荷載達到6.7倍活載時，加載側(cè)拱腳截面鋼箱頂板受拉屈服；當(dāng)荷載增加到10.3倍活載(荷載比例系數(shù)為0.542)時，非加載側(cè)1/4截面底板受壓屈服；當(dāng)荷載增加到15.1倍活載(荷載比例系數(shù)為0.795)時，加載側(cè)1/4截面鋼箱頂板受壓屈服、底板受拉屈服；當(dāng)荷載增加到16倍活載(荷載比例系數(shù)為0.84)時，主拱達到其極限承載能力。

圖5跨中截面荷載-位移曲線

4結(jié)論

(1) 在沿主拱頂面的應(yīng)力分布中，次拱腳區(qū)段頂板鋼箱的應(yīng)力突變比較明顯。可見，混凝土對鋼箱力學(xué)性能影響十分顯著，因此，在鋼箱-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計中對于受力敏感區(qū)段應(yīng)合理組合鋼材和混凝土。

(2) 跨中正彎矩和拱腳負(fù)彎矩布載下主拱的破壞形式均為鋼箱屈服，最后混凝土被壓碎，形成三鉸拱，表現(xiàn)出明顯的塑性破壞形態(tài)。

(3) 對比跨中截面最不利布載下和拱腳截面最不利布載下的主拱極限承載能力可知，筍溪河大橋在跨中截面最不利布載下先于拱腳最不利布載而發(fā)生破壞，其極限承載能力為0.97 Pu，其中Pu=18 099.2 kN。

參考文獻

[1]聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]林宗凡.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[M].上海:同濟大學(xué)出版社,2004.

[3]范亮.鋼箱-混凝土組合拱截面受力行為與設(shè)計原理研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.